大学物理课件6光的偏振

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,6.1,自然光和偏振光,在垂直于传播方向平面内，光矢量的振动状态（端点轨迹），称为光的,偏振态;,振动方向与传播方向构成平面，称为,振动面。,E,播,传,方,向,振,动,面,一、偏振光（,polarized light,),光矢量端点轨迹随时间变化轨迹是确定,的,，,称为,偏振光。,1. 线偏振光,（,linearly polarized light）,光矢量只沿一个固定方向振动，这种光,称为,线偏振光,，也称为,平面偏振光。,面对光的传播方向看,线偏振光可沿两个相,互垂直的方向分解,E,E,y,E,x,y,x,表示法：,光振动垂直板面,光振动平行板面,圆偏,振光,椭圆,偏振光,0,y,y,x,z,传播方向,/2,x,某时刻圆偏振光,E,随,z,的变化,E,2. 圆偏振光,（,circularly polarized light）,椭圆偏振光,（,ellipticly polarized light）,为某个确定值的,线偏振光的合成。,右旋圆偏振光的合成,。,圆,和,椭圆偏振光,可看成是两束频率相同、,传播方向一致、,振动方向相互垂直、,相位差,线偏振光,则可以看成是两束频率相同、,相位相同、,振幅相同、,传播方向亦相同的,左、,相位差, /2或3 /2,x,y,y,x,x,，,y,振幅相同，,相位差不等于,0，,和 2, /2，,3 /2,二、 自然光,（,natural light）,垂直的、等幅的、,不相干,的线偏振光。,没有优势方向,一束自然光可分解为两束振动方向相互,光矢量 取向是杂乱无章的、对于光的传播方向是对称分布的, 称为,自然光,。,表示法：,自然光的分解,非相干,三、部分偏振光,表示法：,部分偏振光可看成,自然光和线偏振光混合,分解,非相干,平行板面的光振动较强,垂直板面的光振动较强,部分偏振光可以分解如下：,光矢量沿某一方向振动比其它方向占优势，称为,部分偏振光,。,1,6.2,偏振片起偏与检偏 马吕斯定律,一、偏振片（,Polaroid,）,原理,：,利用“二向色性”晶体制成。,允许通过光振,动的方向称为,偏振,化方向,，即,透光轴,。,线偏振光的起偏,：,自然光,入射时,非偏振光,I,0,线偏振光,I,P,偏振化方向,（通光方向）,二、马吕斯定律,（,Malus law,）,偏振光,I,o,自然光,偏振光,I,P(N),P(M),M:,起偏器,N:,检偏器,I,o,与,I,关系,：,马吕斯定律,透射光最大,透射光为零,A,0,sin,a,M,o,N,a,A,0,A,0,cos,a,三、线偏振光的检偏,I,?,P,待检光,若,I,不变,若,I,变,有消光,若,I,变,无消光,或由线偏振光与自然光混合而成的,部,设入射光可能是,旋转,自然光,或,线偏振光,分偏振光,线偏,自然,部分,四、偏振片的应用,作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必,要的反射光。,制成偏光眼镜，可观看立体电影。,若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装,上,偏振片，可以避免汽车会车时灯光,的晃眼,。,作为许多光学仪器中的起偏和检偏装,置。,与地面成45,角、且向同一方向倾斜,怎样装?,立体电影,1,6.3,反射、折射偏振 布儒斯特定律,一、反射起偏 布儒斯特定律,2,当取某一入射角,i,0,时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，折射光为部分偏振光。,i,0,称为,布儒斯特角,（起偏角）。,反射光,垂直入射面分量(,S,),比例大,折射光,平行入射面分量(,P,),比例大,1,自然光反射和折射后成为部分偏振光, 偏振化程度与入射角有关。,n,1,n,2,i,i,r,S,分量,P,分量,i,0,n,1,n,2,r,布儒斯特,定律,此时有：,i,0,+,r =,90,o,二、折射起偏玻璃片堆,利用玻璃片堆使折射光趋近与,P,偏振光,用玻璃片堆能增强反射偏振光的强度,i,0,接近线偏振光,玻璃片堆,线偏振光,思考,在拍摄玻璃窗内的物体时，如何去掉反射光的干扰？,有反射光干扰的橱窗,在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰,一、双折射现象,1. 双折射,i,n,1,n,2,r,o,r,e,(各向异,性介质),自然光,o,光,e,光,2.寻常（,o,）,光和非寻常（,e,）,光,o,光 ：,遵从折射定律,e,光 ：,一般不遵从折射定律,e,光折射线也,不一定,在入射面内,。,一束光入射到各向异性介质时，折射光分成两束的现象。,1,6.4,双折射,（,birefringence）,现象,方解石,o,e,e,o,演示,以入射方向为,轴旋转方解石,方解石,偏振片,双折射的两,束光振动方,向相互垂直,3. 晶体的光轴,(,optical axis of crystal),光在晶体内沿某个特殊方向传播时,不发,例如，方解石晶体（冰洲石）,光轴是一个特殊的,方向，,一个光轴的晶体，,如方解石,。,两个光轴的晶体，,如云毋。,由,钝隅,引出的与三个棱边成等角的方向就是,光轴。,光轴,A,B,102,78,该,方向,称为晶体的,光轴。,生双折射，,于此方向的直线均为光轴。,凡平行,单轴晶体：,双轴晶体：,4. 主平面,（,principal plane）,o,光,光轴,o,光的,主平面,e,光,光轴,e,光的,主平面,1,0,o,光振动垂直主平面，,e,光振动在主平面内。,晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面叫该束光的,主平面,。,晶体解理面的法线与晶体光轴构成的平面称为晶体的主截面。,2,o,通常,o、e,光主平面不重合，两者振动方向不垂直。当入射面与主截面重合时，两者主平面与主截面重合，振动方向垂直。,5.,折射率(,refractive index,),光矢量垂直与光轴振动的光波折射率,n,o,、,平行与光轴振动的光波折射率,n,e,称为晶体的,主折射率,。,单轴晶体中，,o,光折射率始终是,n,o,；,e,光的折射率介于,n,o,n,e,之间，当传播方向垂直于光轴方向时，折射率是,n,e,。,二、尼科耳棱镜（,Nicol prism,),制作：,原理：,全反射,一、偏振光干涉装置,二、偏振光干涉的分析,A,o,A,2,o,N,M,C,A,A,e,A,2,e,在,P,2,后：,在,P,1,后：,偏振化方向,偏振片,N,单色自然光,偏振片,M,偏振化方向,d,晶片,C,光轴方向,相干,屏,1,6.5,偏振光的干涉,通过晶体,C,后的相位差是,再通过,P,2,后：,（明）,单色光入射，,d,不均匀，则屏上为等厚条纹。,A,o,A,2,o,N,M,C,A,1,A,e,A,2,e,（暗）,石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）,单色光入射，,d,不均匀，则屏上为等厚条纹。,于某种颜色干涉相消，而呈现它的,互补色，,若白光入射，且晶片,d,均匀，,则：屏上,由,若,d,不均匀，则屏上出现彩色条纹。,硫酸钠晶片的色偏振图片,1,6.6,偏振现象应用,一、人工双折射,人为使各向同性介质转化造成各向异性介质，而产生双折射效应，称为,人工双折射,。,1. 光弹效应,（,photoelastic effect）,由于受力作用，使各向同性介质转化造成各向异性介质，称为,光弹效应。,在一定应力范围内：,k,是比例系数,P,1,P,2,d,F,S,F,干涉,有机玻璃,C,模型的光弹图象,钓钩的图象光弹,2. 电光效应,（,photoelastic effect）,由于电场作用，使各向同性介质转化造成各向异性介质，称为,电光效应。,45,P,2,l,+,-,克尔盒,d,P,1,45,克尔效应,泡克尔斯效应,应用,：,可作为,光开关,（响应时间,10,-9,s），,用于高速摄影、,激光通讯、,光速测距等,二、旋光现象（,roto-optical phenomena,),1. 物质的旋光性,（,optical activity）,除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的水溶液等也都具有,旋光性。,1811年，法国物理学家,阿喇果,（,Arago）,其,振动面能发生旋转，,发现，,线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时,这称为,旋光现象。,旋光物质,d,光轴,a,旋光率,旋转的角度：,旋光率,a,与旋光物质和入射波长有关，,对于溶液，与浓度有关：,可以有,左旋体,和,右旋体.,物质旋光性和物质原子排列结构有关的，,2. 磁致旋光,（,magnetic opticity）,一些物质在磁场作用下，也会产生旋光,现象，称为,磁光效应,。,水、二硫化碳、,食盐等,是磁致旋光物质。,d,磁致旋光物质,B,旋转的角度,:,V,费德尔常量，,磁致旋光效应的应用：,研究物质结构,测电流和磁场,磁光调制,1.,马吕斯,2.,布儒斯特,3.,双折射,例1.,两个偏振片组成结构，在它们偏振化方,向成,30,o,角时，观测一束自然光；又在,60,o,角时，观测另一束自然光。两次测得透射光强度相同，求两束自然光强度。,解：,设两束自然光强度是,I,1,、I,2,透射光强度是：,，则,例2.,求：透射光强,偏振片，透射光强为 ，若这两个偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片均成 角。,使自然光通过两个偏振化方向成 角,透射光强为：,解：,例3.,令其通过旋转着的偏振片，若测得出射光的最大光强为 ，最小光强为 ，则混合光中偏振光和自然光的强度各为多少？,一束混合光包含线偏振光和自然光，,解：,例4,水的折射率为1.33,玻璃的折射率为1.50,1,光由水中射向玻璃反射时,布儒斯特角为多少?,2,光由玻璃射向水中反射时,布儒斯特角为多少?,解:,例5.,它在界面同一侧的布儒斯特角时多少?,解:,光在某两种媒质界面上全反射临界角是,根据全反射特性有:,由布儒斯特定律有:,1,1,